針/機織復(fù)合織物定向?qū)裥缘牡入x子改性構(gòu)建及其舒適性評價

肖彩勤， 胡霄睿， 孫豐鑫*,， 高衛(wèi)東， 陳志強

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122；2. 迪肯大學(xué) 先進材料研究中心，澳大利亞 維多利亞 3216)

織物作為服裝的基礎(chǔ)材料，其穿著舒適性一直是紡織領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題[1]。多維度定向?qū)裥阅芸椢锏拈_發(fā)，對推進吸濕快干紡織品和智能服裝的研究具有重要價值[2- 4]。制備定向?qū)窨椢锏幕驹硎?通過構(gòu)造織物厚度方向的材料表面能梯度差,實現(xiàn)汗液在織物內(nèi)外層的定向傳導(dǎo);主要方法為：形成織物厚度方向纖維層的親疏水差異或通過織物梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)織物定向?qū)馵5-6]。例如，WANG H等[7]采用聚合沉積技術(shù)開發(fā)一種在厚度方向具有浸濕梯度差的織物，實現(xiàn)了單向?qū)籞HOU H等[8]通過組合織物雙面親水性膜材料與疏水性膜材料，研發(fā)具有逆重力的自發(fā)定向?qū)椢铮铱椢锏膶?dǎo)水性可以通過紫外線照射進行調(diào)控；肖雅倩等[9]綜述泡沫技術(shù)、溶膠凝膠法、靜電紡絲、聚合沉積等構(gòu)造織物單面疏水性的方法，分析使用親水整理劑等對織物單面進行親水整理的方法，闡述以紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)織物定向?qū)裥阅艿姆绞?。然而，目前大部分研究主要關(guān)注紡織品厚度方向的導(dǎo)濕性能，對織物厚度方向與織物平面內(nèi)液體傳導(dǎo)性能的實現(xiàn)與控制研究較少。 因此，文中以針織物與機織物復(fù)合一次成型的雙面結(jié)構(gòu)織物為基材，采用3步等離子體法對雙面結(jié)構(gòu)織物的機織面進行單面疏水改性，實現(xiàn)織物針織面與機織面的非對稱浸潤，并借助液態(tài)水分管理測試系統(tǒng)定量表征織物在厚度方向和平面內(nèi)的導(dǎo)濕性能，進而分析織物的熱濕舒適性與觸覺舒適性。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

1.1.1原料 以針織物與機織物復(fù)合的雙面結(jié)構(gòu)織物為基材，通過將針織橫機與劍桿織機進行組合設(shè)計，實現(xiàn)一次織造完成針織與機織結(jié)構(gòu)的復(fù)合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙面結(jié)構(gòu)織物的機織面經(jīng)紗為56 tex滌綸純紡紗，緯紗為65 tex的35%腈綸和65%羊毛混紡紗，機織面的經(jīng)緯密均為220根/dm；雙面結(jié)構(gòu)織物的針織面也采用65 tex的35%腈綸和65%羊毛混紡紗，針織線圈橫密為32根/dm，線圈長度為11 mm[10]，采用搭建的針織橫機和劍桿織機組合織機自織而成。等離子體處理的前驅(qū)氣體有氬氣 (純度 99.9%)、氧氣(純度99.9%) 以及六甲基二硅醚(HMDSO，純度99.5%)蒸汽 ，藥品均購于西格瑪奧德里奇有限公司。

圖1 針織物與機織物復(fù)合的雙面結(jié)構(gòu)織物結(jié)構(gòu)及織物橫截面Fig.1 Fabric structure and cross section of knitted and woven com-structured fabrics

1.1.2設(shè)備 KSV CAM 200接觸角測試儀，芬蘭KSV公司制造；MMT液態(tài)水分管理測試系統(tǒng) ，美國阿特拉斯儀器公司制造；Quanta-250型掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI(捷克)公司制造；CHES-FY紡織品風(fēng)格測試系統(tǒng)，東華大學(xué)和南通宏大實驗儀器有限公司聯(lián)合開發(fā)。等離子體處理裝置主要由等離子體處理腔體、靜電屏蔽罩、天線、真空泵和射頻發(fā)生器等部分組成。

1.2 等離子體處理方法

織物試樣采用3步等離子體法進行表面改性。文獻 [11-12]詳細介紹了其工作原理。等離子體處理實驗中，織物試樣的處理面朝上放置于試樣臺上，通過射頻發(fā)生器產(chǎn)生等離子體，采用真空泵抽真空至低于0.1 Pa。具體步驟為：①通入氬氣至氣壓為2.8 Pa ，并在100 W功率下采用連續(xù)放電狀態(tài)下的氬等離子體對機織面進行2 min的刻蝕處理，實現(xiàn)機織面的清潔與活化；②在功率100 W、氣壓3.5 Pa條件下，以20%工作周期的間斷式氧等離子體處理機織面，持續(xù)時間為2 min，在活化的機織面引入含氧官能團；③通入HMDSO蒸汽作為前驅(qū)體，工作條件為功率100 W、10%工作周期的間斷式HMDSO等離子體處理，在10 Pa壓力下對織物進行等離子體聚合沉積處理。間斷式等離子體的工作周期為

t=ton/(ton+toff)

(1)

其中：t為間斷式等離子體工作周期；ton和toff分別為等離子體工作和停止工作兩個狀態(tài)的持續(xù)時間。

1.3 測試方法

1.3.1接觸角測試 等離子體處理后的織物均在標準條件[溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%]下平衡24 h以上。接觸角(CA)和液態(tài)水分吸收時間使用接觸角測試儀進行測量。

1.3.2導(dǎo)水性測試 通過液態(tài)水分管理測試系統(tǒng)，并參照AATCC 195—2011標準對織物液態(tài)水分傳導(dǎo)性能進行測量。

1.3.3表面形貌觀察 織物試樣經(jīng)干燥和噴金處理后，使用掃描電子顯微鏡對經(jīng)3步等離子體法處理前后的織物形貌進行觀察。

1.3.4織物觸覺舒適性評價 采用紡織品風(fēng)格測試系統(tǒng)進行織物觸覺舒適性評價[13]。該測試系統(tǒng)通過一條抽拔力-位移曲線，實現(xiàn)織物彎曲、摩擦、拉伸等多項性能的綜合評價，并表征織物硬挺程度，進行織物硬挺觸覺舒適性評價。

1.3.5織物熱濕舒適性評價 采用主觀評級法對織物熱濕舒適性進行評價。選取6位紡織專業(yè)研究生分別對等離子體處理前后由雙面結(jié)構(gòu)織物縫制的手套進行穿戴評價。評價者在溫度(25±2)℃、相對濕度(65±3)%的環(huán)境下，對穿戴0.5 h后的手套熱濕舒適性進行獨立評級。熱濕舒適性分為5個等級，其中1～5級分別代表不舒適、較差、中等、良好、極好。取6位評價者的平均評級結(jié)果作為最終的熱濕舒適性等級。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物非對稱浸潤性與微觀形貌分析

圖2為5 μL液態(tài)水在織物表面浸潤鋪展的時間曲線和HMDSO等離子體在織物表面不同聚合沉積處理時間下的接觸角。

圖2 雙面結(jié)構(gòu)織物親水面與疏水面的浸潤性能Fig.2 Wettability of the hydrophilic and hydrophobic surfaces of com-structured fabrics

由圖2可知，當(dāng)聚合沉積處理時間超過3 min時，接觸角變化很小，而水滴的浸潤鋪展時間卻顯著增長，這可能是由于處理時間過長后，HMDSO等離子體過多地滲透織物，并附著于背面的針織層表面。因此最優(yōu)聚合沉積處理時間為3 min。

圖3為雙面結(jié)構(gòu)織物的非對稱浸潤性表面及其微觀形貌。圖3(a)為經(jīng)3 min HMDSO等離子體聚合沉積處理后，織物非對稱的吸濕浸潤性示意，可知在經(jīng)3步等離子體法處理后，織物的處理面(機織面)顯示較好的疏水性，而針織面展現(xiàn)較好的親水性。圖3(b)和圖3(c)分別展示未經(jīng)等離子體聚合沉積表面與經(jīng)等離子體聚合沉積表面的纖維外觀形貌?？梢郧宄乜吹?，等離子聚合沉積面的織物纖維上附著了HMDSO顆粒，而另一面的纖維表面光潔。因此采用3步等離子體法處理時，通過合理控制處理參數(shù)，可實現(xiàn)非對稱浸潤性織物的表面改性。

圖3 雙面結(jié)構(gòu)織物的非對稱浸潤性表面及其微觀形貌Fig.3 Asymmetrical wetting surfaces and its micromorphology of the com-structured fabrics

2.2 處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物導(dǎo)濕性能解析

2.2.1織物含水量測試曲線分析 圖4為液態(tài)水分管理測試系統(tǒng)給出的典型織物含水量曲線。

圖4 液態(tài)水分管理測試系統(tǒng)所測的雙面結(jié)構(gòu)織物典型含水量與時間關(guān)系曲線Fig.4 Typical water content and time curves of com-structured fabrics measured by liquid water management test system

由圖4(a)可知，水滴在針織面迅速被吸收，針織面含水量在0～10 s內(nèi)增長至接近700%，而機織面的含水量變化緩慢，直到30 s后才開始緩慢上升至接近100%并保持相對穩(wěn)定。由圖4(b)可知，當(dāng)水滴從表面經(jīng)過等離子聚合沉積的機織面滴入時，水透過機織面并優(yōu)先被針織面吸收，針織面含水量迅速升高至接近400%，然后緩慢降低到300%左右；而機織面含水量仍緩慢上升，最終維持在小于100%的位置。總體來看，未經(jīng)等離子體聚合沉積處理的針織面更容易吸水，無論水滴是從機織面還是針織面滴到織物上；而經(jīng)等離子體聚合沉積處理的機織面含水量相對較低，且增加緩慢，最高含水量均低于100%。這一方面是由于針織物的線圈結(jié)構(gòu)有更多的空間容納液態(tài)水，另一方面等離子體的單面聚合沉積造成織物非對稱的親疏水性，使得液態(tài)水由疏水的機織面向親水的針織面擴散更加容易，而拉普拉斯力的作用導(dǎo)致由親水面向疏水面擴散變得困難。 因此，經(jīng)3步等離子體法處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物展現(xiàn)出明顯的定向?qū)阅堋?/p>

2.2.2導(dǎo)水性測試指標對比分析 為了定量分析織物的定向?qū)阅?，在液態(tài)水分管理測試系統(tǒng)引入了系列指標，包括浸潤時間(WT)、最大吸濕速率(MAR)、鋪展速度(SS)和液態(tài)水傳導(dǎo)綜合指數(shù)(OWTC)等，指標的具體含義見文獻[14]。為了對比分析雙面結(jié)構(gòu)織物厚度方向與平面內(nèi)在液態(tài)水傳遞時的典型特征，分別測試了雙面結(jié)構(gòu)織物以及與雙面結(jié)構(gòu)織物的針織面和機織面同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳統(tǒng)機織物和針織物的液態(tài)水傳導(dǎo)性能指標，測試結(jié)果見表1。

表1 織物經(jīng)等離子體處理后的液態(tài)水傳遞指標測試結(jié)果Tab.1 Test results of liquid water transfer indices of fabrics after plasma treatment

由表1可以看出，經(jīng)等離子體處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物機織面的浸潤時間顯著高于針織面，也高于經(jīng)過等離子體單面處理的傳統(tǒng)機織物和針織物，且當(dāng)從雙面結(jié)構(gòu)織物的針織面滴入液態(tài)水時，機織面的浸潤時間高達33 s，這是處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物非對稱浸潤性和針織面線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)異儲水能力的綜合效果。

對比傳統(tǒng)針織物和機織物可以看出，無論處理面還是未處理面，機織物都體現(xiàn)了更快的最大吸濕速率和鋪展速度，即機織物具有更強的液態(tài)水傳導(dǎo)能力。這是因為機織物的經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)有利于液態(tài)水沿著經(jīng)紗和緯紗方向進行縱向和橫向傳導(dǎo)，而針織物的線圈結(jié)構(gòu)使得液態(tài)水更容易被吸收和容納。因此，雙面結(jié)構(gòu)織物同時具有針織與機織結(jié)構(gòu)，可使機織面和針織面實現(xiàn)水傳導(dǎo)和水吸收的差異性，保證親水針織面織物可以最大程度吸收水分，不會反滲透到疏水機織面；而機織面良好的水分傳導(dǎo)能力又能促進液態(tài)水平面內(nèi)的快速鋪展和傳導(dǎo)，保證表面干燥，也有利于水分在親水面被吸收。這進一步驗證了雙面結(jié)構(gòu)織物采用針織面作為親水面進行液態(tài)水吸收，同時以機織面作為疏水面進行液態(tài)水傳導(dǎo)的可行性。

由表1可知，傳統(tǒng)機織物和針織物的液態(tài)水傳導(dǎo)綜合指數(shù)相對較低；而當(dāng)液態(tài)水從機織面滴入到雙面結(jié)構(gòu)織物時，其液態(tài)水傳導(dǎo)綜合指數(shù)為115，從針織面滴入時，其液態(tài)水傳導(dǎo)綜合指數(shù)為-289。這表明液態(tài)水傾向于從機織面?zhèn)鬟f到針織面，而反向傳導(dǎo)比較困難。處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物中的厚度方向定向傳導(dǎo)性與平面內(nèi)鋪展傳導(dǎo)性機制如圖5所示。由圖5可知，液態(tài)水從針織面滴入時難以透過針織面進入機織面，而是在針織面和針-機織界面鋪展開，但從機織面滴入時會透過機織面被針織面吸收。因此，將機織面作為服裝的貼膚面穿著，有利于汗液沿著機織面鋪展并迅速向針織面?zhèn)鬟f，從而快速排出；反之若是將針織面貼膚穿著，容易造成水分的集聚，帶給穿著者潮濕悶熱的不舒適感。

圖5 液體水在3步等離子體處理后的雙面結(jié)構(gòu)織物中厚度方向與織物平面內(nèi)的傳導(dǎo)機理Fig.5 Transmission mechanism of liquid water in thickness direction and in-plane conduction of com-structured fabrics after the three-step plasma treatment

2.3 織物觸覺舒適性與熱濕舒適性分析

圖6為采用紡織品風(fēng)格測試系統(tǒng)對織物進行觸感測試形成的曲線。曲線中可以提取包括最大彎曲力、彎曲功、彎曲斜率、平均摩擦力、拉伸斜率等曲線參數(shù)，并通過公式計算織物的硬挺觸感值，從而評價織物觸覺舒適性[15]?？椢锏挠餐τ|感值以及6位主觀評價者所給出的平均熱濕舒適性等級見表2。

圖6 紡織品風(fēng)格測試系統(tǒng)所測雙面結(jié)構(gòu)織物處理前后的抽拔力-位移曲線Fig.6 Pulling-out force-displacement curves of com-structured fabrics before and after treatment by the comprehensive handle evaluation system for fabrics and yarns

表2 等離子體處理前后的織物觸感值與熱濕舒適性平均評級結(jié)果Tab.2 Tactile values and average evaluation results of trermal-wet comfort of the fabrics before and after plasma treatment

對比等離子體處理前后織物的觸感值可知，3步等離子體法對織物的觸感影響較小，原因可能是經(jīng)3步等離子體法處理時，雖然氬等離子對織物表面纖維產(chǎn)生刻蝕作用，但HMDSO的聚合沉積可能部分修復(fù)了纖維表面因刻蝕產(chǎn)生的缺陷，因此，織物總體硬挺觸感略有增加，針織面的硬挺手感值增加約16%，機織面增加約11%。當(dāng)將機織面作為貼膚面穿戴時，經(jīng)等離子體處理后的織物手套熱濕舒適性有了明顯提升，等級從3.50變?yōu)?.70，評級提高34%；當(dāng)將針織面貼膚穿著時，織物的熱濕舒適性評價結(jié)果明顯降低。這主要是因為當(dāng)針織面貼膚時，由于汗液無法從針織面?zhèn)鲗?dǎo)到機織面，使得汗液積聚在手套內(nèi)，引起悶熱潮濕感?？傮w來看，經(jīng)3步等離子體法處理后的織物觸感值變化不明顯，而熱濕舒適性有了明顯提升。因此，該方法在研發(fā)吸濕快干、高舒適性等功能面料和智能化控溫面料方面具有潛在的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

區(qū)別于常規(guī)的針織或機織紡織品，文中開發(fā)了具有厚度方向的定向?qū)衽c平面內(nèi)差異性液態(tài)水分傳導(dǎo)性能的雙面結(jié)構(gòu)織物。實驗證明，通過控制等離子體聚合沉積厚度，可以實現(xiàn)織物的非對稱浸潤性改性。雙面結(jié)構(gòu)織物的液態(tài)水分傳導(dǎo)性能測試及其與傳統(tǒng)機織物和針織物的導(dǎo)水性能對比結(jié)果，說明了雙面結(jié)構(gòu)織物的針織面具有優(yōu)異的吸濕性和儲水性，機織面沿著經(jīng)緯紗方向具有較好的平面內(nèi)水傳導(dǎo)性能，這顯示織物結(jié)構(gòu)特征對其平面內(nèi)差異性水傳導(dǎo)性能的重要作用。采用紡織品風(fēng)格測試系統(tǒng)結(jié)合主觀評級法分別評價織物的觸感值和熱濕舒適性，表明經(jīng)3步等離子體法處理后的織物觸覺舒適性變化不大，硬挺觸感值變化率控制在15%以內(nèi)，但可以明顯提升織物的熱濕舒適性。因此，經(jīng)等離子體處理的雙面結(jié)構(gòu)織物可實現(xiàn)具有厚度方向定向?qū)衽c平面內(nèi)差異性導(dǎo)水性能，在吸濕排汗、涼爽快干等功能化和智能化紡織服裝領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。